并聯式混合動力系統模式切換控制策略*

吳海嘯 葉進 馬承廣

（1.南京汽車集團有限公司汽車工程研究院；2.南京依維柯汽車有限公司）

雙離合器單軸并聯式混合動力系統具備發動機和ISG 電機2 個動力源，整車控制器通過控制2 個動力源的相互配合來提升汽車的動力性、經濟性、排放性及舒適性等性能指標。2 個動力源的相互配合使得混合動力汽車具備了純電動行駛、發動機驅動、聯合驅動及行車發電等工作模式以及各個模式之間切換的中間過程[1]。文章對該模式切換控制技術進行了分析，并在此基礎上，設計了用于不同工況的模式切換控制策略，對離合器、發動機及電機進行協調控制，最后通過試驗對模式切換控制策略的效果進行了評估。

1 技術方案

本項目所設計的混合動力系統控制策略主要根據電池的電量SOC 和駕駛員的需求扭矩等參數對發動機和ISG 電機的工作狀態進行選擇，對其驅動扭矩進行控制。根據2 個動力源參與工作情況可以把該混合動力系統的工作模式分為：純電動行駛模式、發動機驅動模式、聯合驅動模式及行車發電模式。前離合器采用電控電動式結構，后離合器為傳統機械式結構。系統主要技術參數，如表1所示。系統保留了原發動機的發電機和啟動電機，ISG 和啟動電機都可以單獨啟動發動機，在電驅動系統發生故障的情況下，汽車還可以保證基本的行駛能力，大大提高了可靠性。

表1 單軸并聯式混合動力系統技術參數

開發的混合動力客車所采用的雙離合器單軸并聯式混合動力系統的結構原理，如圖1所示，包含發動機、ISG 電機、鋰電池及雙離合器等部件。

各個模式之間的切換控制是混合動力系統的一項關鍵技術。文章主要對從純電動/停車模式到發動機參與驅動模式的切換進行研究，該項目是其各個模式切換中最復雜的一種。從純電動/停車模式到發動機參與驅動模式的切換過程，根據啟動發動機的方式不同，可分為：利用傳統啟動方式的模式切換和利用ISG 啟動方式的模式切換。

2 利用傳統啟動方式的模式切換

當電驅動系統發生故障時，為了保證汽車的正常行駛，需要通過傳統啟動機來啟動發動機驅動汽車；當電驅動系統正常工作時，若在電機的驅動轉速小于發動機啟動需求轉速的情況下，控制策略需要啟動發動機，也需要通過傳統啟動機來啟動發動機。當系統有從純電動/停車模式到發動機參與驅動模式的切換需求時，如果滿足利用傳統啟動方式的模式切換的條件時，進入該模式切換控制策略。該模式切換的控制策略分為：啟動發動機、轉速同步及發動機驅動3 個階段。

啟動發動機的控制邏輯，如圖2所示。檢測發動機故障狀態，如果正常則給發動機啟動電機供電，檢測發動機是否啟動成功，如果不成功則等待后重新進行啟動，如果啟動成功則進入轉速同步階段。

轉速同步是控制電控離合器使發動機開始進入驅動階段。電控離合器的控制需要在保證結合平穩和發動機不熄火等條件下，達到發動機轉速與驅動電機轉速的同步。文章所采用的離合器控制策略應用最優控制策略并運用極小值原理對模式切換控制策略進行優化，兼顧了汽車縱向沖擊度、離合器滑摩發熱量2 個控制目標[2]，實現了HEV 傳動系統動力的平順切換，既提高了HEV 乘坐舒適性，又延長了離合器使用壽命。在實現轉速同步后，可完全結合電控離合器，并給予發動機所需求的目標扭矩，讓發動機開始驅動汽車。

3 利用ISGf啟動方式的模式切換

由從純電動模式到發動機參與驅動模式切換需求時，在電驅動系統工作正常、驅動電機轉速高于發動機的啟動需求轉速及ISG 電機的儲備扭矩足夠等條件下，為減少啟動電機的使用頻率，延長其使用壽命，使用ISG 電機，在驅動汽車行駛的過程中，通過控制電控離合器的結合來平穩啟動發動機。

3.1 驅動電機扭矩的確定

這種情況下，驅動汽車的扭矩和啟動發動機的扭矩都由驅動電機提供，則驅動電機的扭矩（Tm/N·m）計算公式為：

式中：Td——汽車需求的驅動扭矩，N·m；

Te——啟動發動機所需求的扭矩，N·m；

k——離合器扭矩傳遞系數。

汽車所需求的驅動扭矩可以直接由整車能量分配策略獲得，而啟動發動機所需求的扭矩可通過計算發動機啟動時所受到的阻力獲得。一般情況下，發動機在啟動時受到的阻力主要包括：缸內氣體的壓縮阻力、活塞環與缸壁間的摩擦阻力、活塞裙部與缸壁間的摩擦阻力、氣門機構的摩擦阻力、活塞組往復運動的慣性力、旋轉部件慣性力以及附屬部件的運行阻力。這些阻力共同作用在曲軸上，產生相應的阻力矩[3]。

對于發動機的某個缸，其阻力扭矩為：

式中：Tg——缸內氣體的壓縮阻力扭矩，N·m；

TFr——活塞環與缸壁間的摩擦阻力扭矩，N·m；

TFg——活塞裙部與缸壁間的摩擦阻力扭矩，N·m；

Tv——氣門機構的摩擦阻力扭矩，N·m；

Tre——活塞組往復運動的慣性力扭矩，N·m；

Tα——旋轉部件慣性力扭矩，N·m；

Ta——附屬部件的運行阻力扭矩，N·m。

發動機某缸的阻力扭矩也可用以ω 和θ 為變量的函數表示為：

式中：ω——曲軸角速度，rad/s；

θ——曲軸轉角，rad。

則其他3 個缸的阻力扭矩可表示為[4]：

該四缸發動機啟動時需求的總扭矩為：

3.2 模式切換控制策略

為簡化模式切換控制難度，在模式切換過程中，汽車行駛所需求的驅動扭矩全部由驅動電機提供，發動機的動力僅配合離合器結合過程而不參與驅動汽車。所設計的模式切換控制策略的Simulink 仿真模型，如圖3所示。

利用ISG 電機啟動發動機進行模式切換，主要進行兩項工作：1）控制離合器結合啟動發動機，2）控制驅動電機扭矩。第1 項工作需要保證發動機啟動過程的快速和平穩；第2 項工作需要保證在啟動發動機的過程中不影響驅動汽車，而且2 個控制過程相互耦合。

從整車能量分配策略可獲得驅動汽車所需要的目標扭矩。從發動機EMS 可獲得發動機的轉速和相位等參數，從整車控制策略獲得發動機啟動速度，根據文章3.1 節的計算方法，可以計算出發動機在啟動過程中各個時刻的目標啟動扭矩，再根據離合器狀態計算出啟動發動機所需要的施加在離合器上的目標扭矩。將汽車的目標驅動扭矩與施加在離合器上的目標扭矩相加，即可得到驅動電機的目標扭矩，將目標扭矩發送給驅動電機控制器，即可控制驅動電機的扭矩輸出。離合器控制目標計算方法根據目標發動機轉速、發動機真實轉速、驅動電機轉速、離合器位移、驅動電機目標扭矩及發動機目標扭矩等綜合確定離合器目標位移和結合速度。離合器結合控制策略采用PID 控制器，通過對離合器的運動方向和PWM 控制量對離合器的位移和結合速度進行控制，以達到控制效果。在發動機啟動完成后，控制發動機轉速到驅動電機轉速，完成離合器結合，發動機開始參與驅動汽車。

4 試驗與分析

4.1 利用傳統啟動方式的模式切換策略試驗

利用傳統啟動方式的模式切換控制過程進行了試驗。在原地急加速起步，由于驅動電機的輸出扭矩不能滿足汽車的驅動要求，需要啟動發動機參與驅動，而此時驅動電機轉速較低，不能利用ISG 電機啟動發動機，需要利用傳統啟動方式進行啟動。試驗結果，如圖4所示。

從圖4 可以看出，初始階段，由驅動電機單獨驅動汽車，當駕駛員駕駛需求扭矩增大，驅動電機開發提高驅動扭矩，汽車加速度開始增大。當驅動電機的扭矩不足以滿足汽車的需求，需要啟動發動機參與驅動汽車，此時由于驅動電機轉速低于發動機啟動轉速，故需要由傳統啟動電機啟動發動機，發動機啟動完成以后，開始控制離合器結合使發動機開始參與驅動汽車。離合器結合后，發動機與驅動電機同時驅動汽車行駛，汽車獲得更大的加速度。從圖4 還可以看出，離合器結合介入驅動過程約0.8 s，整個模式切換過程約2 s，模式切換控制過程迅速，切換平穩。

4.2 利用ISG啟動方式的模式切換策略試驗

對利用ISG 啟動方式的模式切換控制過程進行了試驗，試驗結果，如圖5所示。在原地起步加速，最初是由驅動電機單獨驅動汽車，在2 擋時電機加速能力不夠，開始啟動發動機。通過控制離合器的結合帶動發動機到800 r/min 左右，發動機啟動完成開始正常工作，控制發動機轉速跟蹤驅動電機轉速，完全結合離合器，發動機開始參與驅動，汽車加速度增大。從圖5 可以看出，在啟動發動機的過程中，電機轉速（車速）有一定頓挫，該控制策略還有待進一步優化。從模式切換時間看，該過程共耗時1.6 s，優于利用傳統啟動方式的模式切換策略。

5 結論

文章在對并聯式混合動力系統從純電動/停車模式到發動機參與驅動模式的切換過程進行分析的基礎上，提出了用于不同工況的模式切換控制策略，并在實車上對所設計的2 種控制策略進行了試驗，試驗結果表明：2 種控制方法模式切換控制過程迅速且切換平穩，能夠較好地實現系統模式切換的控制要求。

在利用ISG 啟動方式的模式切換過程中，汽車存在一定的頓挫感，后續還需要對控制策略進行進一步優化來提高車輛的平順性和舒適性。